科學家開發了一種能夠區分單分子核酸和單細胞差異的方法，即將含有核酸或細胞的水相通過特殊設計的微流控芯片注入到油相中，生成大小一致的微米級液滴，使單個核酸或細胞從群體中分離并包裹在微滴中，進而研究單分子或單細胞之間的差異。對每個微滴進行連續不斷的觀測將會有助于人們理解單分子反應動力學的變化和細胞行為的不同。

將粒徑均勻的水相微滴分散到連續的油相中是違反熱力學平衡的。微滴會不斷地融合形成大的液滴，直至水油兩相發生分層，在油相中加入表面活性劑（Abil EM 90、PFPE-PEG、Span 80）可以延緩液滴融合，但不能消除這一現象。因此在長期的單細胞培養中人們依然可以觀察到微滴融合，并且這一現象在溫度劇烈變化的數字聚合酶鏈式反應（digital PCR）中更加明顯（圖1）。數字PCR中液滴融合會影響定量的準確性并造成稀有樣品的浪費。此外，液體的流動性使對單個微滴進行跟蹤觀察變得十分困難。近日，浙江大學牟穎教授團隊研發出一種熱凝固的油相物質能夠解決液滴融合和液滴流動的問題，實現了對單個液滴的實時監控。

圖1. 液滴數字PCR反應后液滴融合

牟穎教授團隊研發的這種熱凝固材料由低粘度的甲基硅油、乙烯基硅油、含氫硅油、非離子表面活性劑和鉑催化劑組成。這種新型的油相能夠在鉑催化下通過乙烯基硅油和含氫硅油發生硅氫化反應自發凝固，不需要紫外或帶點離子等外界條件觸發。油相中表面活性劑的作用是生成粒徑均一的液滴和在油凝固之前穩定液滴。在凝固前，該油相可用來生成多種類型的液滴：（a）水包油(O/W)、（b）油包水(W/O)、（c）水包油包水(W/O/W)和（d）雙核乳滴（圖2）。

圖2. 可凝固油相生成的多種類型液滴

這種可凝固材料的固化速度與溫度有關。在細胞培養溫度下（37℃），該油相可在70 min內凝固，而在PCR反應中95 ℃預變性時，該材料凝固僅需要37 s。在上述條件下，油相由液態變為固態，液滴也被“凍結”，失去流動性。相鄰液滴間的液態隔膜變為固態隔膜，液滴被固體包裹使液滴無法融合。當液滴中的水分蒸發以后，液滴所在位置變成一個個空泡（圖3a）。將芯片縱切后可看到，相鄰的液滴空腔被固態的隔膜分開（圖3b）。

圖3. 凝固后的油相中液滴蒸發后形成的空泡

同時，這種熱凝固的油相也具有很好的生物相容性。他們利用該油相物質生成的液滴進行液滴數字PCR（ddPCR）和單細胞培養時，實現了對PCR反應和細胞生長過程的實時監控，并且對PCR反應和細胞生長沒有影響（圖4）。陽性微滴的熒光強度隨著PCR反應循環數的增加逐漸增強（圖4a）。單個細胞在液滴內培養時，分別在48 h和120 h觀察到了細胞分裂（圖4b）。

圖4．可凝固油相中PCR反應和細胞生長過程的實時監控

此外，數字PCR反應產物也可以從這種可凝固油形成的微囊中完全回收，用于進一步的分析研究，例如測序。